2019届一轮复习人教版碳、硅及其化合物学案

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2019届一轮复习人教版碳、硅及其化合物学案

第四章 非金属及其化合物 第1讲 碳、硅及其化合物 考纲要求 ‎1.掌握C、Si元素单质及其重要化合物的主要性质及应用。‎ ‎2.了解C、Si元素单质及其重要化合物对环境质量的影响。‎ ‎3.以新材料、新技术为背景考查C、Si元素及其重要化合物的性质及应用。‎ 考点一 碳、硅的性质及其应用 ‎1.单质的存在形态、物理性质和用途 碳 硅 存在形态 游离态和化合态 化合态 物理性质 金刚石:熔点很高,‎ 硬度很大 石墨:硬度较小,‎ 电的良导体 灰黑色固体,有金属光泽、熔点高、硬度大,有脆性 用途 金刚石用作切割刀具,石墨用作电极、铅笔芯 半导体材料、太阳能电池和合金材料 ‎2.C、Si的化学性质(写化学方程式)‎ ‎(1)C的化学性质——还原性 ‎(2)Si的化学性质——还原性 Si ‎【感悟测评】 ‎ 判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)‎ ‎(1)碳的几种单质物理性质不同的主要原因是其结构不同。(  )‎ ‎(2)金刚石、石墨、C60三者之间互为同位素关系。(  )‎ ‎(3)无定形硅常用于制作半导体材料。(  )‎ ‎(4)常温下硅既不能与强酸反应也不能与强碱反应。(  )‎ ‎(5)加热到一定温度,硅能与氧气、氯气等非金属反应。(  )‎ ‎(6)晶体硅可用作光导纤维材料。(  )‎ 答案:(1)√ (2)× (3)× (4)× (5)√ (6)×‎ 碳、硅单质的特殊性 ‎1.一般情况下,非金属元素单质熔、沸点低,硬度小,但晶体硅、金刚石熔、沸点高,硬度大,其中金刚石为自然界中硬度最大的物质。‎ ‎2.一般情况下,非金属单质为绝缘体,但硅为半导体,石墨为电的良导体。‎ ‎3.Si的还原性大于C,但C在高温下能还原出Si:SiO2+2CSi+2CO↑。‎ ‎4.非金属单质与碱反应一般既作氧化剂又作还原剂,且无氢气放出,但硅与强碱溶液反应只作还原剂,且放出氢气:Si+2NaOH+H2O===Na2SiO3+2H2↑。‎ ‎5.非金属单质一般不与非氧化性酸反应,但硅能跟HF作用:Si+4HF===SiF4↑+2H2↑。‎ ‎6.一般情况下,金属(Na、K)能置换出水中的氢,但C在高温下也能置换出H2O中的氢:C+H2O(g)H2+CO。‎ 考向一 碳、硅的性质和用途 ‎1.下列说法正确的是(  )‎ A.常温下硅与O2不反应,故硅在自然界中有游离态 B.碳、硅的单质均不导电 C.碳、硅与O2反应均生成酸性氧化物 D.工业上利用碳与H2O(g)反应制水煤气 解析:A项,硅在自然界中无游离态;B项,石墨、晶体硅能导电;C项,C与O2反应生成的CO不是酸性氧化物。‎ 答案:D ‎2.下列关于碳和硅的叙述中,正确的是(  )‎ A.其氧化物都能与NaOH溶液反应 B.其单质在加热时都能跟O2反应 C.其氧化物都能溶于水生成相应的酸 D.碳和硅两种元素共有两种单质 解析:CO、SiO2都不溶于水,CO也不与NaOH溶液反应,故A、C错误;碳除了金刚石、石墨外还有C60等单质,故D错误。‎ 答案:B 考向二 硅的工业制法 ‎3.半导体工业中,有一句行话:“从沙滩到用户”,即由SiO2制取Si。制取过程中不涉及的化学反应是(  )‎ A.2C+SiO2Si+2CO↑‎ B.SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O C.Si+2Cl2SiCl4‎ D.SiCl4+2H2Si+4HCl 解析:工业制取纯硅的工艺流程为:SiO2粗硅SiCl4纯硅,该工艺流程中不涉及SiO2与NaOH溶液的反应。‎ 答案:B ‎4.用无机矿物资源生产部分材料,其产品流程示意图如下:‎ 下列有关说法中不正确的是(  )‎ A.制取粗硅时可能发生生成SiC的反应 B.生产铝、铜、高纯硅及玻璃的过程中都涉及氧化还原反应 C.黄铜矿冶炼铜时,SO2可用于生产硫酸,FeO可用作冶炼铁的原料 D.粗硅制高纯硅时,提纯四氯化硅可用多次分馏的方法 解析:生产玻璃不涉及氧化还原反应。‎ 答案:B 考点二 CO2、SiO2的性质与应用 CO2和SiO2的比较 二氧化碳 二氧化硅 结构 存在单个CO2分子 空间立体网状结构,不存在单个分子 主要物理性质 熔、沸点低,常温下为气体,能溶于水 硬度大,熔、沸点高,常温下为固体,不溶于水 化 学性质 水 CO2+H2OH2CO3‎ 不反应 酸 不反应 SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O(特例)‎ 碱 CO2+2NaOH===‎ Na2CO3+H2O或 CO2+NaOH ‎===NaHCO3‎ SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O(盛碱液的试剂瓶用橡胶塞)‎ 化 学性质 盐 Ca(ClO)2+CO2+H2O===CaCO3↓+2HClO,CO2+Na2CO3+H2O===2NaHCO3‎ SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2↑(制玻璃)‎ 碱性 氧化物 CO2+Na2ONa2CO3‎ SiO2+CaOCaSiO3‎ 用途 化工原料、灭火剂,干冰用于人工降雨 光学镜片、石英坩埚、光导纤维 ‎【多维思考】 ‎ ‎1.SiO2既能与NaOH反应又能与HF反应,SiO2是两性氧化物吗?为什么?‎ 提示:不是,因为SiO2与氢氟酸反应生成的不是盐。‎ ‎2.指出3C+SiO2SiC+2CO↑中的氧化剂和还原剂。‎ 提示:氧化剂、还原剂均是C。‎ 二氧化硅性质的特殊性 多数酸性氧化物的共性 ‎ ‎ 二氧化硅的特性 非金属氧化物的熔沸点一般较低 SiO2的熔点却很高 酸性氧化物一般与水反应生成相应酸 SiO2不溶于水,不与水反应 酸性氧化物一般不与酸发生反应 SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O ‎“较强酸制较弱酸”是复分解反应的一般规律,H2CO3酸性强于H2SiO3:‎ Na2SiO3+CO2+H2O===‎ Na2CO3+H2SiO3↓‎ 以下反应不能说明酸性的强弱 Na2CO3+SiO2 Na2SiO3+CO2↑‎ CaCO3+SiO2 CaSiO3+CO2↑‎ 考向一 SiO2的性质及用途 ‎1.下列说法正确的是 (  )‎ A.在粗硅的制取中发生2C+SiO22CO↑+Si,硅被还原,所以碳的还原性强于硅的还原性 B.盛放NaOH溶液时,使用带玻璃塞的磨口瓶 C.用SiO2制取硅酸,应先使二氧化硅与氢氧化钠溶液反应,然后再通入CO2‎ D.由Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2↑可知,硅酸的酸性强于碳酸 解析:选项A、D 的反应在高温且均生成了气体,使平衡正移,致使反应能顺利进行,但不能说明C、Si的还原性强弱,也不能说明H2SiO3与H2CO3酸性的强弱,故错误;NaOH能与玻璃成分中的SiO2反应生成Na2SiO3而使瓶塞粘在一起。由SiO2制取H2SiO3的过程为:SiO2Na2SiO3H2SiO3。‎ 答案:C ‎2.指出下列反应中SiO2所表现的化学性质或作用,在A~E选项中选择正确答案填入括号内。‎ ‎(1)SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O (  )‎ ‎(2)SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2↑(  )‎ ‎(3)SiO2+2CSi+2CO ↑ (  )‎ ‎(4)SiO2+3CSiC+2CO↓ (  )‎ ‎(5)SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O (  )‎ A.作为玻璃的成分被消耗而使玻璃被腐蚀 B.氧化性 C.酸性氧化物的通性 D.将挥发性的酸酐从其盐中置换出来 E.未参加氧化还原反应 答案:(1)C (2)D (3)B (4)E (5)A ‎【速记卡片】 SiO2的特殊性 ‎1.SiO2是H2SiO3的酸酐,但它不溶于水,不能直接与水作用制备H2SiO3。‎ ‎2.酸性氧化物一般不与酸作用,但SiO2能跟HF作用:SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O。‎ 考向二 CO2与盐或碱溶液反应的规律 ‎3.用四种溶液进行实验,下表中“操作及现象”与“溶液”对应关系错误的是 (  )‎ 选项 操作及现象 ‎ 溶液 A ‎ 通入CO2,溶液变浑浊 ‎ ‎ 饱和Na2CO3溶液 B 通入CO2,溶液变浑浊,继续通CO2至过量,浑浊消失 Na2SiO3溶液 C 通入CO2,溶液变浑浊,再加入品红溶液,红色褪去 Ca(ClO)2溶液 D 通入CO2,溶液变浑浊,继续通CO2至过量,浑浊消失,再加入足量NaOH溶液,又变浑浊 澄清石灰水 答案:B ‎4.标准状况下,将3.36 L CO2气体通入200 mL 1.00 mol·L-1 NaOH溶液中,充分反应后溶液中c(CO)与c(HCO)的比值为(不考虑CO、HCO的水解) (  )‎ A.1∶1        B.1∶2‎ C.2∶1 D.1∶3‎ 解析:n(CO2)==0.15 mol,n(NaOH)=0.2 L×1.00 mol·L-1=0.2 mol 由于1<<2,故二者完全反应生成含Na2CO3和NaHCO3的混合溶液 设n(Na2CO3)=x,n(NaHCO3)=y 则有 解得x=0.05 mol,y=0.1 mol 答案:B ‎【速记卡片】 CO2与NaOH溶液反应产物的判断 ‎(1)将CO2通入一定量的NaOH溶液中至过量的反应原理:‎ ‎①转化示意图:NaOHNa2CO3NaHCO3‎ ‎②有关化学方程式:‎ Ⅰ.2NaOH+CO2===Na2CO3+H2O Ⅱ.Na2CO3+CO2+H2O===2NaHCO3‎ ‎(2)反应后溶质成分的判断:‎ 考点三 硅酸及无机非金属材料 ‎1.硅酸 ‎(1)溶解性:不溶于水。‎ ‎(2)化学性质 ‎(3)制备——可用硅酸钠与盐酸反应制得:Na2SiO3+2HCl===H2SiO3↓+2NaCl。‎ ‎(4)用途:硅酸用于制硅胶,硅胶可用作催化剂的载体和干燥剂。‎ ‎2.硅酸盐 ‎(1)硅酸盐 由硅、氧和金属组成的化合物的总称,是构成地壳岩石的主要成分。‎ ‎(2)硅酸钠 硅酸钠水溶液俗称水玻璃,是无色黏稠液体,常用于制备黏合剂、防腐剂、耐火材料等。‎ ‎3.无机非金属材料 ‎(1)硅酸盐材料 水泥 普通玻璃 陶瓷 生产原料 黏土、石灰石 纯碱、石灰石、石英砂 黏土 主要设备 水泥回转窑 玻璃窑 陶瓷窑 ‎(2)具有特殊功能的含硅物质 ‎①碳化硅具有金刚石结构,可用作磨料。‎ ‎②含硅元素4%的硅钢具有导磁性。‎ ‎③硅橡胶具有既耐高温又耐低温的性质。‎ ‎【多维思考】 ‎ ‎1.如何由SiO2制备H2SiO3?用化学方程式表示。‎ 提示:SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O,Na2SiO3+2HCl===H2SiO3↓+2NaCl。‎ ‎2.向水玻璃中加入酚酞试液,有什么现象?然后再滴加盐酸,充分振荡静置有什么现象?‎ 提示:滴加酚酞,溶液变红;加入盐酸,溶液的红色逐渐变浅至无色,静置一会有胶冻状的凝胶生成。‎ ‎ 硅及其化合物在常用物质中的易错点 ‎(1)用作半导体材料的是晶体硅而不是SiO2,用于制作光导纤维的是SiO2,而不是硅,计算机芯片的成分是晶体硅而不是SiO2。‎ ‎(2)水晶、石英、玛瑙、硅石、沙子等主要成分是SiO2,而不是硅酸盐。‎ ‎(3)传统无机非金属材料陶瓷、水泥、玻璃的主要成分是硅酸盐。‎ 考向一 硅酸盐 ‎1.下列有关硅及其化合物的说法中正确的是 (  )‎ A.硅酸钠属于盐,不属于碱,所以硅酸钠可以保存在带磨口玻璃塞的试剂瓶中 B.反应①Na2SiO3+H2O+CO2===Na2CO3+H2SiO3↓,反应②Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2↑,两个反应是相互矛盾的,不可能都能发生 C.普通玻璃、石英玻璃、水泥等均属于硅酸盐材料 D.祖母绿的主要成分为Be3Al2Si6O18用氧化物形式表示为3BeO·Al2O3·6SiO2‎ 答案:D ‎2.(2018·湖北大联考)将足量CO2气体通入水玻璃中,然后蒸干,再在高温下充分灼烧,最后所得固体物质是 (  )‎ A.Na2SiO3       B.Na2CO3、Na2SiO3‎ C.Na2CO3、SiO2 D.SiO2‎ 解析:CO2与水玻璃反应生成Na2CO3(NaHCO3)和H2SiO3,在高温条件下H2SiO3变为SiO2,NaHCO3变为Na2CO3,Na2CO3与SiO2又反应生成Na2SiO3和CO2,所以最后得到的固体物体是Na2SiO3,故A项正确。‎ 答案:A 考向二 无机非金属材料 ‎3.下列关于硅单质及其化合物的说法正确的是 (  )‎ ‎①硅是非金属元素,但硅单质能导电 ②水泥、玻璃、沙子都是硅酸盐制品 ③高纯度的硅单质广泛用于制作光导纤维 ④陶瓷是人类应用很早的硅酸盐材料 A.①②   B.②③‎ C.①④    D.③④‎ 解析:光导纤维、沙子的主要成分均是SiO2。‎ 答案:C ‎4.氮化硅(Si3N4)是一种高温陶瓷材料,它的硬度大、熔点高、化学性质稳定,工业上曾普遍采用高纯硅与纯氮气在1 300 ℃时反应获得。‎ ‎(1)根据性质,推测氮化硅陶瓷的用途是______(填序号)。‎ A.制汽轮机叶片 B.制有色玻璃 C.制永久性模具 D.制陶瓷发动机 ‎(2)氮化硅陶瓷抗腐蚀能力强,除氢氟酸外,它不与其他无机酸反应。该陶瓷被氢氟酸腐蚀的化学方程式: ___________________‎ ‎_________________________________________________________。‎ ‎(3)现用SiCl4和N2(在H2气氛下),加强热发生反应,可获得较高纯度的氮化硅,反应的化学方程式为________________________‎ ‎_________________________________________________________。‎ 解析:由Si3N4的硬度大、熔点高、化学性质稳定,可知Si3N4的用途符合A项、C项、D项。‎ 答案:(1)ACD (2)Si3N4+12HF===3SiF4↑+4NH3↑(或Si3N4+16HF===3SiF4↑+4NH4F)‎ ‎(3)3SiCl4+2N2+6H2Si3N4+12HCl ‎【速记卡片】 无机非金属材料的分类 无机非金属材料 ‎ ‎1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)‎ ‎(1)(2017·高考江苏卷,3C)因为SiO2硬度大,所以可用于制造光导纤维(  )‎ ‎(2)(2017·高考天津卷,3A改编)硅太阳能电池工作时,光能转化成电能与氧化还原反应无关(  )‎ ‎(3)(2016·高考海南卷)石英砂可用于生产单晶硅(  )‎ ‎(4)(2016·高考浙江卷,7B)Ge(32号元素)‎ 的单晶可以作为光电转换材料用于太阳能电池(  )‎ ‎(5)(2016·高考全国卷Ⅲ,7D)因为HF与SiO2反应,所以可用氢氟酸在玻璃器皿上刻蚀标记(  )‎ ‎(6)(2015·高考重庆卷,1C)烧结黏土制陶瓷涉及化学反应(  )‎ ‎(7)(2015·高考重庆卷,2B)P的非金属性强于Si,H3PO4比H2SiO3的酸性强(  )‎ ‎(8)(2015·高考全国卷Ⅱ,7A)硅胶可用作食品干燥剂(  )‎ ‎(9)(2015·高考海南卷)可用磨口玻璃瓶保存NaOH溶液(  )‎ ‎(10)(高考海南卷)Si和SiO2都用于制造光导纤维(  )‎ ‎(11)(高考福建卷,9②改编)SiO2既能与KOH溶液反应又能与浓盐酸反应(  )‎ ‎(12)(高考江苏卷,8C改编)SiO2、NaOH、HF三者两两均能反应(  )‎ 答案:(1)× (2)√ (3)√ (4)√ (5)√ (6)√ (7)√ (8)√  (9)× (10)× (11)× (12)√‎ ‎2.(2015·高考海南卷)单质Z是一种常见的半导体材料,可由X通过如下图所示的路线制备,其中X为Z的氧化物,Y为氢化物,分子结构与甲烷相似,回答下列问题:‎ ‎(1)能与X发生化学反应的酸是________;由X制备Mg2Z的化学方程式为____________________________________________。‎ ‎(2)由Mg2Z生成Y的化学反应方程式为____________,Y分子的电子式为_______________________________________。‎ ‎(3)Z、X中共价键的类型分别是__________________。‎ 解析:Z为半导体单质,则Z是Si元素;其氧化物为二氧化硅,‎ SiO2可与氢氟酸反应;根据反应的流程图可知,二氧化硅与Mg反应生成Mg2Si,Mg2Si与盐酸反应生成的Y为氢化物,则Y的化学式是SiH4,加热分解可得到Si单质。其余问题可解。‎ 答案:(1)氢氟酸 SiO2+2MgO2↑+Mg2Si ‎(2)Mg2Si+4HCl===2MgCl2+SiH4↑ ‎ ‎(3)非极性键,极性键 ‎3.(2017·高考全国卷Ⅱ)水泥是重要的建筑材料。水泥熟料的主要成分为CaO、SiO2,并含有一定量的铁、铝和镁等金属的氧化物。实验室测定水泥样品中钙含量的过程如图所示:‎ 回答下列问题:‎ ‎(1)在分解水泥样品过程中,以盐酸为溶剂,氯化铵为助溶剂,还需加入几滴硝酸。加入硝酸的目的是________,还可使用________代替硝酸。‎ ‎(2)沉淀A的主要成分是______,其不溶于强酸但可与一种弱酸反应,该反应的化学方程式为________________。‎ ‎(3)加氨水过程中加热的目的是________。沉淀B的主要成分为________________、_______________________________ (写化学式)。‎ ‎(4)草酸钙沉淀经稀H2SO4处理后,用KMnO4‎ 标准溶液滴定,通过测定草酸的量可间接获知钙的含量,滴定反应为MnO+H++H2C2O4→Mn2++CO2+H2O。实验中称取0.400 g水泥样品,滴定时消耗了0.050 0 mol·L-1的KMnO4溶液36.00 mL,则该水泥样品中钙的质量分数为________________。‎ 解析:(1)Fe3+容易在pH较小时转换为沉淀,所以需要将Fe2+氧化为Fe3+。‎ 双氧水可以将Fe2+氧化为Fe3+且不会引入杂质。‎ ‎(2)二氧化硅不溶于一般酸溶液,所以沉淀A是二氧化硅。SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O ‎(3)加热可以促进Fe3+、Al3+水解转换为Fe(OH)3、Al(OH)3。在pH=4~5时Ca2+、Mg2+不沉淀,Fe3+、Al3+沉淀,所以沉淀B为Fe(OH)3、Al(OH)3。‎ ‎(4)5Ca2+~5H2C2O4~2KMnO4‎ n(KMnO4)=0.050 0 mol/L×36.00×10-3 mL=1.80×10-3 mol n(Ca2+)=4.50×10-3 mol 水泥中钙的质量分数为4.50×10-3 mol×40.0 g/mol/0.400 g×100%=45.0%。‎ 答案:(1)将样品中可能存在的Fe2+氧化为Fe3+ 双氧水(H2O2)‎ ‎(2)SiO2 SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O ‎(3)防止胶体生成,易沉淀分离 Fe(OH)3‎ Al(OH)3 (4) 5Ca2+~5H2C2O4~2KMnO4‎ n(KMnO4)=0.050 0 mol/L×36.00×10-3 mL=1.80×10-3 mol n(Ca2+)=4.50×10-3 mol 水泥中钙的质量分数为4.50×10-3 mol×40.0 g/mol/0.400 g×100%=45.0%‎
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